Гравитационная астрономия шагнула далеко вперед с момента первого обнаружения гравитационных волн в 2015 году, однако создание детекторов, способных обеспечивать необходимую точность, остаётся серьезной инженерной задачей. Научная группа под руководством Пола Станкуса из Лаборатории Брукхейвена при поддержке гранта NASA Institute for Advanced Concepts (NIAC) разработала концепцию, которая обещает решить некоторые из этих инженерных проблем с помощью квантовой механики.
Новые подходы к детекции
Существующие детекторы гравитационных волн делятся на две категории. Наземные детекторы, такие как LIGO, способны регистрировать волны высокой частоты в диапазоне от 10 до 10,000 Гц, возникающие в результате столкновений черных дыр и нейтронных звезд. В то же время, временные массивы пульсаров (Pulsar Timing Arrays, PTA) фиксируют фоновый шум на уровне нано-герц, анализируя временные интервалы между вращающимися мертвыми звездами на протяжении десятилетий. К этому списку вскоре добавится новый участник: LISA — космический интерферометр, который будет отслеживать миллигерцевые волны от слияния сверхмассивных черных дыр.
Однако между разными методами ещё остаётся значительный пробел, примерно на уровне микро-герц. Хотя космические интерферометры вроде LISA теоретически могут достичь такой чувствительности, на практике их реализация является настоящим инженерным кошмаром. Интерферометры обычно требуют физического или оптического соединения, что для космического аппарата означает использование лазерного луча. Поддерживать безупречную непрерывную связь лазера на расстоянии нескольких миллионов километров практически невозможно.
Квантовые чудеса вместо лазеров
Предложение Станкуса отводит лазерные соединения на второй план. Вместо измерения расстояний между космическими аппаратами его команда предлагает отслеживать астрометрические сигналы самих гравитационных волн — то есть наблюдать за тем, как звёзды колеблются почти незаметно под действием проходящей гравитационной волны.
При приближении гравитационной волны пространство-время временно искажается, что заставляет все звёзды на небе казаться, что они колеблются в маленьком скоординированном танце. Чтобы зафиксировать эти колебания, необходимо использовать интерферометр, подобный LISA, но Станкус и его команда предполагают применить квантовый феномен, известный как эффект Хэнбери-Браун и Твисса (HBT). В недавней работе команда продемонстрировала, как эта концепция реализуется в лабораторных условиях, назвав своё устройство «двухфотонным амплитудным интерферометром».
Для создания этой квантовой машины необходимо запустить два космических аппарата в свободное падение — с ключевым моментом в том, что им не требуется соединение с помощью лазеров, они могут функционировать абсолютно независимо. Оба аппарата одновременно отслеживают определённые звёзды и ведут точные временные метки для всего, что фиксируется их сверхбыстрозащитными детекторами однофотонов. Эти временные метки и количество фотонов отправляются на Землю, где суперкомпьютеры сопоставляют время их поступления.
Применение квантовой механики
Согласно правилам квантовой механики, фотоны, приходящие на два отдельных космических аппарата, будут демонстрировать микроскопические корреляции, известные как «квантовая группировка». Суперкомпьютеры могут подсчитать фазовую интерференцию звёздного света без непосредственного взаимодействия двух отдельных фотонов. Если произойдут изменения фазы, позиция звезды будет казаться колеблющейся. Если несколько звёзд изменят своё положение в нужной последовательности, это будет свидетельствовать о наличии гравитационной волны.
Как и многие предложения NIAC, эта инициатива звучит как научная фантастика, учитывая вовлечённость квантовой механики и детекторов однофотонов. Тем не менее, команда уже создала рабочую лабораторную модель в 2023 году. В течение следующих девяти месяцев, пока продолжается финансирование NIAC, их целью является доказать, что эта концепция может быть масштабирована для использования в космических аппаратах.
Комментарий SpaceDiscover
Это инициатива представляет собой грандиозный прорыв в области гравитационной астрономии. Если проект окажется успешным, он сможет не только улучшить наши возможности фиксировать гравитационные волны, но и открыть новые горизонты для изучения самых отдалённых и таинственных явлений во Вселенной. Квантовые технологии могут сыграть ключевую роль в следующем этапе астрономических исследований, и результат может превзойти все наши ожидания.
Не забудьте подписаться на наши каналы Дзен, Telegram и ВК.
Мы всегда рады видеть вас среди наших читателей и подписчиков SpaceDiscover!
